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    大型煤头甲醇合成装置设计改进.pdf

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    大型煤头甲醇合成装置设计改进.pdf

    周 芳等 大型煤头甲醇合成装置设计改进 3 大型煤头甲醇合成装置设计改进 周芳 姜波中国成达工程有限公司成都610041 摘要DPT向国内转让了多套大型煤头甲醇合成工艺专利技术,本文分析了不同原料的甲醇合成反应, 介绍了全球首套投产的规模最大的以煤为原料的甲醇装置的工艺流程、装置运行存在的问题,探讨了DPT吸取 神化包头运行经验后,在类似装置转让技术中所作的主要设计改进,供相关技术人员参考。 关键词大型煤头甲醇合成改进 北方某大型煤制烯烃项目是全球首套煤制烯 烃工业化示范工程,其甲醇合成装置采用DPT低 压甲醇合成技术及Johnson Matthey甲醇合成催化 剂,以煤气化生产的合成气为原料生产MTO级甲 醇。甲醇合成采用两个串联的专为百万吨级甲醇 合成装置开发的蒸汽上升反应器SRC,装置生 产能力折合纯甲醇1830kt/a。该装置也是世界上首 套投产的规模最大的以煤为原料的甲醇装置。自 2010年投料成功后,装置最高操作负荷达105%, 总体来讲,装置运行情况良好。虽然之前DPT转 让过多套甲醇装置,但作为DPT提供专利技术的 首套煤头甲醇装置,因装置的规模大,同时以煤 为原料,在高负荷运行下,一些工艺问题逐步暴 露出来。DPT公司在提供技术支持的同时,也密 切关注装置的实际运行情况,在之后煤头甲醇装 置的技术转让中,进行了一些设计改进,本文对 主要改进点进行了初步探讨分析,供相关技术人 员参考。 l 反应原理及装置的大型化 1.1反应原理 主要的甲醇合成反应方程式如下 CO2H2_CH3OH CO23H2.CH3OHn2O 典型的天然气转化气和煤气化合成气组成见 表1。 根据表1,典型的天然气转化气和煤气化合成 气组成差异较大。具体体现在以下几方面。 表1 典型的天然气转化气和煤气化合成气组成 1.1.1氢碳比 典型天然气转化气明显氢多碳少,而煤气化 合成气的氢碳比可通过上游变换和低温甲醇工序 调整到甲醇合成所需的范围,获得更高的甲醇合 成率。即气体的氢碳比,决定了以煤为原料的甲 醇装置床层温度更难控制。 1.1.2气体中的C0和CO 相对于典型的天然气转化气,煤气化合成气 中CO含量更高,CO 含量更低。而甲醇合成反应 中,因CO 的合成反应热要比CO合成反应热低 40%左右,即CO 参加的反应可抑制合成温度的 升高,一定程度上避免过热现象,以延长催化剂 的寿命。故从理论上,煤头装置中甲醇合成反应 热更多,更容易超温,因而需快速移除反应热, 避免催化剂超温。 1.1.3气体中微量杂质 煤气化合成气中含有微量硫、氯、砷等杂质, 这些杂质源于装置前端原料煤的复杂组成,杂质 的存在可能导致甲醇合成催化剂中毒,而通常上 游很难提出具体的硫、氯和砷等杂质含量,特别 是一旦操作中低温甲醇洗出现硫穿透现象,将直 接导致甲醇合成触媒超温失活,故以煤为原料的 甲醇装置通常需要考虑设置合成气净化系统。 1.1.4气体中惰性组分 十周芳高级工程师,全国注册化工工程师。2004年毕业于四川大学化学工程专业获硕士学位。主要从事天然气化工和煤化工工艺 设计工作。联系电话02865530912,Emailzhoufangchengda.CO1TI。 4 CIⅢ ⅡCAL ENGINEERING DESIGN 煤气化合成气中惰性组分含量低,也会加剧 合成反应的发生。而天然气甲醇中的氢碳比一般 超过2.3,多余的氢也将使反应后气体的温升低于 煤头甲醇合成的反应温升。 综上,由于煤气化合成气较典型的天然气转 化气组成的差异,就需要设计上考虑合成气净化 系统的设置,并着重考虑甲醇合成反应热的控 制等。 1.2装置的大型化 从反应器的选择上,水走壳侧的轴向流管壳 式反应器可以快速移除反应热,但由于装置规模 大,受装置投资、运输条件等限制,气走壳侧的 径向流反应器更适合大规模装置,要求生产操作 人员在催化剂的不同运行阶段,需作适当的调整, 通常在催化剂初期活性较好时,应适当提高原料 气中CO的浓度,使合成甲醇的反应不致于过分剧 烈,以利于床层温度的控制;在催化剂末期,应 适当降低原料气中CO的浓度,促进甲醇合成反 应的进行,控制与稳定床层温度。 2 DPT甲醇合成装置生产流程 DPT甲醇合成装置生产流程见图1。 图1 DPT甲醇合成装置生产流程简图 DPT甲醇合成工艺装置主要包括合成气净化 系统、甲醇合成系统和甲醇精馏系统。来自上游 低温甲醇洗的新鲜合成气,配人返氢后,进合成 气压缩机合成段增压。增压的合成气经预热后, 进合成气净化槽,脱除残留的对合成催化剂有毒 害的微量组份。甲醇合成系统采用串并联流程, 这种串并联方式比传统流程在催化剂与设备投资 上更为经济。甲醇合成反应器为径向流反应器, 气体通过装填在壳侧的催化剂,发生甲醇合成反 应。反应器内温度由管内上升的蒸汽控制。净化 后的合成气分为两股,配人两个甲醇合成塔的循 环气中,进各自合成塔的壳侧,发生甲醇合成反 应。出塔气经各塔的气气换热器后,依次经空冷 器、水冷器,然后在分离器中分离粗甲醇。分离 后的粗甲醇经闪蒸后送人甲醇精馏系统,得到满 足下游装置进料规格的MTO级甲醇产品。 3 DPT甲醇合成装置存在的问题 3.1合成气净化系统 3.1.1现状 该装置是DPT公司转让的第一套煤头装置, 因煤气化合成气较天然气转化气含有多种微量杂 质,在设计单位很难提出其具体含量、也没有运 行经验的前提下,专利商DPT基于Johnson Matthey 铜基甲醇合成催化剂的使用寿命性能保证,要求 甲醇合成补充气中硫、氯等杂质含量在30ppb以 下。于是在甲醇合成系统前端设置专门的合成气 净化系统,其净化槽中装填的是铜基净化触媒。 该净化系统配置复杂的开车升温还原管线及 管件,有完整的控制系统来保护昂贵的触媒,其 工艺系统见图2。 图2合成气净化工艺系统图 3.1.2运行中存在的问题 1由于原始开车或触媒更换后,需要对甲 醇合成触媒进行升温还原,而合成气压缩机的合 成段和循环段是组合在同一缸体的。在合成触媒 进行还原时,一旦有H /CO还原介质漏人净化系 统,将导致净化触媒超温,严重时会导致触媒失 活和设备损坏,所以设计时要求在合成触媒的还 原阶段,合成段的操作压力必须高于循环段的操 作压力。 2运行费用高。为满足触媒的操作温度要 周 芳等 大型煤头甲醇合成装置设计改进 5 气预热器需要高等级的蒸汽,相应的蒸 4 DPT煤头甲醇合成装置设计所作的改进 汽耗量大。 ~~一’’。。。。 3复杂的控制系统易造成装置误连锁停车, 造成不必要的损失。 3.2甲醇合成系统 3.2.1现状 该甲醇合成系统最核心的是两台径向流上升 反应器,是DPT继特立尼达投运后的又两台类似 反应器,其换热管内走水,管外装填催化剂。由 于该项目设计时,特立尼达合成塔刚投产,其径 向合成塔的传热计算还未经过长时间的生产实践 验证,且特立尼达的甲醇装置是以天然气为原料。 DPT在核算完特立尼达合成塔运行情况后,该项 目的关键设备合成塔和压缩机已完成加工制造, 于是设计上只有采取加大回路中其它设备的换热 面积的补救方案。 3.2.2运行中存在的问题 在开车初期,当系统负荷在70%以上时,甲 醇合成塔催化剂上部绝热区边缘的局部热点经常 出现超温现象,合成系统也曾因床层超温连锁停 车。由于床层局部热点温度的上涨,制约了系统 负荷的提高,特别是夏季工况下,空冷器空气侧 温度高,水冷器循环水上水温度也高,导致甲醇 分离器出口循环气温度高,合成塔人口甲醇含量 增加,形成恶性循环。生产上只有靠降低负荷来 维持生产。 3.2.3原因分析 分析床层超温原因,可能是多方面的,如受 合成塔结构的限制,生产准备阶段催化剂装填可 能局部不均匀,在气体流速小的区域内催化剂就 可能出现超温现象;催化剂装填量过大,因设计 装置量为189m ,而实际装置约193m ,造成未开 孔区触媒深度还原不够彻底,而未增加传热面积, 上部反应热传不出去,造成热量积聚,出现超温 现象。此外,气体组分偏差大,导气速度过快及 不合理的工艺操作等都可能加速床层超温。 3.2.4解决方法 在实际操作中,通过降低合成汽包产汽压力、 降低合成塔人口温度、调整合成气气体组成、适 当提高合成塔床层DES和SIS连锁值提高值由 专利商DPT根据触媒特性提出等调节手段,可 以在一定程度上缓解高负荷下的催化剂超温现象。 4.1合成气净化系统 经过两年多运行以来掌握的分析数据,实际 从前端净化系统来的合成气中硫含量已经小于 40ppb,其它杂质含量很难检出,故专利商简化了 合成气净化系统的设置。具体改进点及对装置的 影响如下。 1将脱硫触媒由铜基改为锌基,降低触媒 的采购成本。 2取消开车还原管线、管件和复杂的控制 系统,可简化操作,降低投资。 3降低净化槽入口温度,一方面可降低运 行费用,也可采用低等级热源,热量利用更合理; 另一方面可节省投资。 4需要增加锅炉给水增压泵,促进有机硫 的分解。 对于该项目,建议在更换下一炉触媒时,可 直接改为锌基触媒,相应的复杂连锁系统可在组 态中摘除。 4.2甲醇合成系统 如上所述,甲醇合成塔的床层超温现象,虽 通过工艺操作可以实现一定程度上的缓解,但毕 竟生产调节手段是有限的,要彻底解决这种塔型 的催化剂床层超温现象,从设计上改进才是解决 问题的根本办法。从产汽压力提不上来、蒸汽产 量偏低等方面判断,最根本的问题是合成塔的传 热面积不够,当然一些细节上的设计也需要优化。 DPT在之后转让的类似煤头项目中已经做了如下 的改进。 1加大合成塔尺寸,触媒装量由189m 增 加到了1 99m ,即增加合成塔的传热面积。 2修改合成塔出口气体的接管位置,达到 更好的气体分布效果,也有利于传热效果的提高。 3在合成塔顶部增加一根到火炬的管线, 用于催化剂主还原期,将合成塔顶部绝热区边缘 的触媒彻底还原完。 5结语 DPT以上甲醇合成装置设计上的改进,是生 产实践与技术人员智慧的结合,相信在改进后的 装置上运行情况会更好。 收稿日期20130418

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